鋼鐵企業(yè)低品質(zhì)余熱資源冷熱聯(lián)供應(yīng)用實(shí)踐

劉夢(mèng)亭 王 濤 張小杰 王 靜

（1.西王金屬科技有限公司； 2.西王集團(tuán)有限公司鄒平動(dòng)力分公司）

0 前言

鋼鐵生產(chǎn)過程中，可回收的余熱資源十分豐富，占總能耗的1/3 左右[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前高溫、中溫余熱資源利用率分別為44%、30%，而低溫余熱資源利用率僅為0.6%[1]。已有多位專家學(xué)者針對(duì)鋼鐵工業(yè)低品質(zhì)余熱有效利用開展了深入研究，主要集中于供暖及有機(jī)朗肯發(fā)電[2-4]，存在系統(tǒng)孤立、未實(shí)現(xiàn)全年利用或經(jīng)濟(jì)性差等缺陷。西王集團(tuán)余熱回收冷熱聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低品質(zhì)余熱梯級(jí)回收、溴化鋰機(jī)組全年工業(yè)制冷、采暖季周邊社區(qū)供暖三位一體，系統(tǒng)于2016 年12 月份投入運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益、社會(huì)效益。

1 鋼鐵企業(yè)低品質(zhì)余熱資源分布及回收

鋼鐵企業(yè)低品質(zhì)余熱資源龐大，分布于整個(gè)生產(chǎn)工藝流程。根據(jù)余熱資源形態(tài)，可分為余熱水和低溫廢氣兩大類[1]。西王集團(tuán)余熱回收冷熱聯(lián)供系統(tǒng)根據(jù)余熱資源品質(zhì)合理匹配能級(jí)，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)回收，得到85 ℃熱水以滿足熱水型溴化鋰機(jī)組及供暖使用需求，余熱資源品質(zhì)及回收利用方式見表1。

表1 低品質(zhì)余熱資源及回收利用方式

2 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)及供冷供暖實(shí)現(xiàn)

根據(jù)東北大學(xué)董輝等人的分析，低溫余熱直接熱利用最為經(jīng)濟(jì)[5]，相對(duì)于低溫余熱發(fā)電，低溫余熱供暖/制冷減少了能源轉(zhuǎn)換損失，可提高低溫余熱利用效率[6]。目前鋼鐵企業(yè)回收的低溫余熱多用于供暖，存在無法實(shí)現(xiàn)全年回收、設(shè)備利用率低、投資回收期較長等問題。西王集團(tuán)余熱回收冷熱聯(lián)供項(xiàng)目巧妙地將供熱、供冷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，是低品質(zhì)余熱大規(guī)模用于工業(yè)制冷的一次大膽嘗試和驗(yàn)證。

余熱回收冷熱聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將低品質(zhì)余熱轉(zhuǎn)換為7～12 ℃冷凍水/85 ℃采暖水，是低溫余熱制冷從理論研究到工業(yè)應(yīng)用的巨大突破。系統(tǒng)主要由低品質(zhì)余熱回收子系統(tǒng)、熱水型溴化鋰制冷子系統(tǒng)、社區(qū)供暖子系統(tǒng)及流體輸送子系統(tǒng)組成，其中余熱回收子系統(tǒng)依據(jù)能源品質(zhì)，逆流換熱，梯級(jí)提溫，多系統(tǒng)耦合實(shí)現(xiàn)熱量回收，構(gòu)建了新型低溫余熱協(xié)同回收系統(tǒng)，最大限度擴(kuò)大可回收利用的低品質(zhì)余熱資源種類及范圍。

熱水型溴化鋰機(jī)組的工作原理是以溴化鋰溶液為吸收劑，以水為制冷劑，利用水在真空環(huán)境中蒸發(fā)吸熱制冷，蒸發(fā)后的冷劑水蒸汽被濃溴化鋰溶液吸收；溴化鋰溶液稀釋后，再用回收的余熱水加熱濃縮，產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)冷凝后再去制冷，濃縮溴化鋰溶液再次去吸收，重復(fù)循環(huán)以達(dá)到制冷的目的，工作原理如圖1 所示。

圖1 溴化鋰吸收式制冷機(jī)工作原理

西王集團(tuán)余熱回收冷熱聯(lián)供項(xiàng)目回收鋼鐵流程中低品質(zhì)余熱產(chǎn)生85 ℃熱水作為溴化鋰機(jī)組熱源，利用溴化鋰制冷機(jī)組生產(chǎn)7～12 ℃冷凍水，用于葡萄糖結(jié)晶，替代了原先分散的電制冷機(jī)組，實(shí)現(xiàn)利用余熱集中供冷，目前年供冷量約36 萬GJ，收入約2 000 萬元。同時(shí)，2021 年對(duì)煉鋼電氣室風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行了改造，引入溴化鋰?yán)渌畬?duì)電氣設(shè)備進(jìn)行降溫，停用工業(yè)冷風(fēng)機(jī)，通過6—7 月份2 個(gè)月的運(yùn)行，電氣室溫度基本維持在25 ℃，滿足工藝要求。采暖季富余余熱用于周邊約85 萬平方社區(qū)供暖，替代燃煤鍋爐，年節(jié)約煤炭約2 萬t。余熱回收冷熱聯(lián)供系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 余熱回收冷熱聯(lián)供系統(tǒng)

3 熱源方案

熱水型溴化鋰機(jī)組COP 值與余熱水溫度密切相關(guān)，當(dāng)熱水溫度在85 ℃時(shí)，COP 達(dá)到最佳值0.77。為滿足溴化鋰機(jī)組的高效運(yùn)行，低品質(zhì)余熱回收需要從余熱品質(zhì)、連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、可行性等多方面統(tǒng)籌考慮，單一熱源回收較難滿足要求。

在充分研究低溫余熱特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，余熱回收系統(tǒng)依據(jù)能源品質(zhì)，考慮能級(jí)匹配，逆流換熱，梯級(jí)提溫，多系統(tǒng)耦合，實(shí)現(xiàn)余熱的最大程度回收利用，提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。余熱回收由串聯(lián)提溫系統(tǒng)和并聯(lián)耦合系統(tǒng)兩部分組成，其中串聯(lián)提溫系統(tǒng)利用高爐沖渣水、環(huán)冷機(jī)四段熱風(fēng)、脫硝熱風(fēng)爐高溫水進(jìn)行逆流換熱、串聯(lián)提溫；并聯(lián)耦合系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)爐煙氣余熱利用、電爐除塵煙氣余熱利用，將熱媒回水加熱到設(shè)計(jì)溫度后并入系統(tǒng)主管網(wǎng)，與串聯(lián)提溫水混合后由管路輸送至制冷機(jī)/社區(qū)使用，各換熱站運(yùn)行參數(shù)及用戶需求見表2，系統(tǒng)運(yùn)行如圖3 所示。考慮到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)邊際、安全邊際，建議余熱回收量比溴化鋰機(jī)組需熱量富余10%～20%，這樣一方面可以保證供水溫度滿足需求，另一方面也可滿足部分余熱設(shè)備檢修時(shí)溫度調(diào)節(jié)需要。

表2 各換熱站運(yùn)行參數(shù)

在余熱回收過程中，高爐沖渣水存在氯根高、易腐蝕、易結(jié)垢的特性，是余熱回收中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，系統(tǒng)采用沖渣水新型專業(yè)防結(jié)晶阻垢儀、專業(yè)高爐沖渣水過濾裝置、全鈦合金換熱器，徹底解決了高爐沖渣水高氯腐蝕、渣棉堵塞、易結(jié)垢的難題。其次，關(guān)于高爐沖渣乏汽的熱利用及消白也是鋼鐵企業(yè)近年來關(guān)注度較高的一個(gè)改進(jìn)點(diǎn)，根據(jù)我公司高爐沖渣乏汽熱利用及消白系統(tǒng)的建設(shè)、改造、投運(yùn)效果來看，具備一定的消白效果，但未達(dá)到預(yù)期，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差，技術(shù)方案仍需改進(jìn)，目前設(shè)備仍在進(jìn)一步改造中。

表3 用戶需求

圖3 余熱回收流程

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

西王集團(tuán)余熱回收冷熱聯(lián)供項(xiàng)目于2016 年建設(shè)、投產(chǎn)、運(yùn)行，同時(shí)具備供熱、供冷能力。目前，換熱站設(shè)計(jì)余熱回收能力90 MW，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)周邊85 萬㎡社區(qū)供暖及玉米深加工板塊電制冷機(jī)替代，受限于鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能壓減、限電等政策，系統(tǒng)未滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)回收余熱用于供暖時(shí)，為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)用戶分時(shí)段調(diào)控需求，均在社區(qū)配套建設(shè)有二級(jí)換熱站。經(jīng)核算，每吉焦熱量回收成本約為8 元，年供熱量約25 萬GJ，采暖季盈利約300 萬元。

當(dāng)采用余熱制冷技術(shù)替代電制冷機(jī)，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)用運(yùn)行成本約為電制冷系統(tǒng)60%左右，年節(jié)約費(fèi)用約700 萬元，并且充分利用低溫?zé)煔狻⒂酂崴鹊推焚|(zhì)余熱資源，減少了碳排放和環(huán)境污染，年減少CO2排放約7 萬t，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 建議

結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行實(shí)踐，主要建議如下：

（1）余熱回收項(xiàng)目宜總體考慮，統(tǒng)籌規(guī)劃。充分考慮熱源特點(diǎn)，依據(jù)能源品質(zhì)，逆流換熱，梯級(jí)提溫，多系統(tǒng)耦合，以實(shí)現(xiàn)供熱溫度的穩(wěn)定，減少波動(dòng)，確保溴化鋰機(jī)組以最佳COP 值運(yùn)行。

（2）建立余熱回收冷熱聯(lián)供系統(tǒng)后，余熱回收能力與用戶制冷/采暖需求形成了實(shí)時(shí)、復(fù)雜、多變的能量耦合關(guān)系，對(duì)能源精準(zhǔn)管控、實(shí)時(shí)調(diào)度、多手段調(diào)控提出了更高的要求。

（3）熱水型溴化鋰機(jī)組運(yùn)行效率對(duì)系統(tǒng)成本具有重要影響，熱媒水溫度低于80℃制冷機(jī)COP 值會(huì)有較明顯降低，故應(yīng)采取一定技術(shù)手段保證余熱供水溫度，如增加蒸汽補(bǔ)熱裝置。

（4）在日趨嚴(yán)格的環(huán)保政策及碳達(dá)峰碳中和時(shí)代背景下，鋼鐵企業(yè)應(yīng)在區(qū)域整體發(fā)展中尋找機(jī)遇，拓寬余熱利用思路，實(shí)現(xiàn)與周邊企業(yè)、城市融合發(fā)展。

6 結(jié)論

鋼鐵企業(yè)低品質(zhì)余熱資源的回收利用是近年研究的熱點(diǎn)，熱水型溴化鋰機(jī)組以其自身的優(yōu)勢(shì)和對(duì)低品質(zhì)余熱資源的適用性越來越受到鋼鐵企業(yè)關(guān)注。西王集團(tuán)余熱回收冷熱聯(lián)供項(xiàng)目的成功實(shí)施和運(yùn)行，驗(yàn)證了低品質(zhì)余熱大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)制冷的可行性和經(jīng)濟(jì)性。